神经调节的结构基础

前面我们了解了人体内环境的稳态及其重要性。那么,人体是如何维持这种稳态的呢?这需要依赖于一套高度复杂而有序的调节系统。这些调节系统包括神经调节、体液调节和免疫调节,它们协同作用,共同维持内环境的稳定。其中,神经调节起着主导和核心的作用。神经调节的一个显著特点是反应迅速、调控精准。当外界环境或体内环境发生变化时,神经系统能够即时感知并做出反应,及时调节机体的各项生理活动,保证机体适应内外环境的变化。例如,当你遇到危险时,神经系统会立刻调动身体的资源,让你做好“战斗或逃跑”的准备;在炎热的环境下,神经系统会调节出汗,帮助机体散热。

要深刻理解神经调节如何快速准确地协调机体各项功能,我们首先需要了解神经系统本身的结构和构成。神经系统由纵横交错的神经元网络组成,这些神经元通过复杂的联系,形成信息接收、传递和处理的回路。这些结构基础不仅决定了神经调节的基本方式,也为各种生理功能的实现提供了重要保障。因此,深入学习神经系统的结构基础,是理解神经调节机制的前提和关键。

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神经系统的组成与分工

人体的神经系统就像一个庞大的通信网络,负责接收信息、处理信息并发出指令。这个网络可以分为两大部分:中枢神经系统和周围神经系统。

中枢神经系统包括脑和脊髓,它们是整个神经系统的指挥中心。脑位于颅腔内,由大脑、小脑和脑干三部分组成。大脑是神经系统中最高级的部分,负责思维、记忆、语言等高级功能。小脑位于大脑的后下方,主要负责协调身体的运动和维持平衡。脑干连接大脑和脊髓,控制着呼吸、心跳等基本生命活动。脊髓位于脊柱的椎管内,它不仅是连接脑和周围神经的通路,还能完成一些简单的反射活动。

周围神经系统则由脑神经和脊神经组成,它们像一条条电缆,将中枢神经系统与全身各个器官连接起来。人体共有12对脑神经和31对脊神经,它们分布到身体的各个部位,负责传递感觉信息和运动指令。

中国科学家在脑科学研究领域取得了重要进展,特别是在脑疾病的诊断和治疗方面,为人类健康做出了重要贡献。

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神经元

神经系统能够完成如此复杂的功能,离不开它的基本结构单位——神经元。神经元也称为神经细胞,是一种高度特化的细胞,具有接受刺激、产生兴奋并传导兴奋的功能。

一个典型的神经元由细胞体、树突和轴突三部分组成。细胞体是神经元的营养中心,含有细胞核和各种细胞器。从细胞体伸出许多短而分支较多的突起,这些突起叫做树突,主要功能是接受刺激并将兴奋传向细胞体。从细胞体还会伸出一条长而分支较少的突起,这就是轴突,它的主要功能是将兴奋从细胞体传向其他神经元或效应器。轴突的末端有许多分支,每个分支的末端膨大,形成神经末梢。

例如，在膝跳反射中,当医生用小锤敲打膝盖下方,感受刺激的感受器首先将信号传给感觉神经元,感觉神经元通过树突接收刺激信号,再经由细胞体、轴突,把兴奋传递到脊髓中的中间神经元,中间神经元再把兴奋传递给运动神经元,运动神经元的轴突最终把信号传递到大腿肌肉,使其收缩,产生膝跳反应。在这个过程中,感觉神经元、运动神经元和中间神经元各自发挥着不同的作用。

神经元的轴突外面常包裹着一层由髓鞘细胞形成的髓鞘。髓鞘主要由脂质构成,呈白色,具有绝缘作用。髓鞘不是连续的,每隔一段距离就有一个缺口,这些缺口叫做郎飞结。有髓鞘的神经纤维传导兴奋的速度比无髓鞘的神经纤维快得多。例如,人在触摸到热的物体时,由于有髓鞘神经纤维的传导速度快,能让我们迅速做出缩手反应,以避免受伤。在中枢神经系统中,神经元细胞体集中的地方呈灰色,称为灰质;神经纤维集中的地方呈白色,称为白质。

根据功能的不同,神经元可以分为三类。感觉神经元负责将感受器接受的刺激转变为神经冲动,并传向中枢;运动神经元将中枢发出的神经冲动传向效应器;中间神经元则位于中枢神经系统中,负责在感觉神经元和运动神经元之间传递信息。这三类神经元相互配合,共同完成神经调节的功能。比如,上一段提到的膝跳反射,就是感觉神经元、中间神经元和运动神经元共同配合的结果。

除了神经元,神经系统中还存在大量的神经胶质细胞。神经胶质细胞的数量是神经元的10倍以上,它们不直接参与信息的传递,但对神经元的正常功能至关重要。神经胶质细胞具有支持、营养、保护和绝缘等多种功能,还能清除神经系统中的代谢废物。例如,当神经元活动产生代谢废物时,胶质细胞就像“清洁工”一样帮助清理。近年来的研究发现,神经胶质细胞还参与信息的处理和传递,这改变了人们对神经系统工作机制的认识。

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兴奋的产生与传导

神经元能够接受刺激并产生兴奋,这种兴奋以电信号的形式在神经纤维上传导。要理解这个过程,我们需要先了解神经元的静息状态。

当神经元未受到刺激时,处于静息状态。此时,如果在神经纤维膜的内外两侧放置两个微电极,并连接到灵敏的电压表上,可以测到膜内电位比膜外低约70毫伏,这种电位差叫做静息电位。静息电位的形成主要是由于细胞膜对不同离子的通透性不同。在静息状态下,细胞膜主要对钾离子有通透性,钾离子从细胞内扩散到细胞外,导致膜内带负电,膜外带正电。

当神经纤维受到刺激时,受刺激部位的细胞膜对钠离子的通透性迅速增大,钠离子大量内流,使膜内电位由负变正,膜外电位由正变负,这种膜电位的变化叫做动作电位。动作电位的产生是一个快速的过程,只需要几毫秒的时间。动作电位产生后,细胞膜很快恢复对钾离子的通透性,钾离子外流,使膜电位恢复到静息状态。

上图展示了神经纤维受到刺激后膜电位的变化过程。从图中可以看出,动作电位的产生经历了去极化、复极化和超极化三个阶段,整个过程非常迅速。

兴奋在神经纤维上的传导是通过局部电流实现的。当神经纤维某一部位产生动作电位后,该部位与相邻的静息部位之间就会产生电位差,从而形成局部电流。在膜外,电流从静息部位流向兴奋部位;在膜内,电流从兴奋部位流向静息部位。局部电流使相邻的静息部位受到刺激而产生动作电位,这样兴奋就沿着神经纤维传导下去。

兴奋在神经纤维上的传导具有两个重要特点。第一,兴奋可以双向传导。无论刺激神经纤维的哪一部位,兴奋都可以向两侧传导。第二,兴奋在传导过程中不会衰减。只要神经纤维是完整的,兴奋就能以相同的强度传导到末端。这两个特点保证了神经系统能够准确地传递信息。

有髓鞘神经纤维的传导方式与无髓鞘神经纤维有所不同。由于髓鞘具有绝缘作用,局部电流不能在整个轴突膜上流动,而只能在郎飞结处流动。这样,兴奋就像跳跃一样从一个郎飞结传到下一个郎飞结,这种传导方式叫做跳跃式传导。跳跃式传导的速度比连续传导快得多,有些有髓鞘神经纤维的传导速度可达每秒100米以上。

从上图可以看出,神经纤维的传导速度与是否有髓鞘以及纤维的粗细有关。有髓鞘且较粗的神经纤维传导速度最快,这对于需要快速反应的生理活动非常重要。

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兴奋在神经元之间的传递

神经系统中有数以百亿计的神经元,它们之间需要相互联系才能完成复杂的功能。神经元之间并不是直接连接的,而是通过一种特殊的结构——突触进行联系。

突触是一个神经元的轴突末梢与另一个神经元的细胞体或树突相接触的部位。一个典型的突触由三部分组成:突触前膜、突触间隙和突触后膜。突触前膜是突触前神经元轴突末梢的膜,突触后膜是突触后神经元细胞体或树突的膜,两者之间有一个狭窄的间隙,叫做突触间隙,宽度约为20-40纳米。

兴奋在突触处的传递是通过化学物质实现的。当兴奋传到轴突末梢时,突触前膜的钙离子通道打开,钙离子内流。钙离子的内流促使突触前膜内的突触小泡与前膜融合,将其中的神经递质释放到突触间隙中。神经递质通过扩散到达突触后膜,与突触后膜上的特异性受体结合,引起突触后膜的电位变化,从而将兴奋传递给下一个神经元。

神经递质释放后,很快就会被酶分解或被突触前膜重新摄取,这样突触后膜才能对下一次刺激做出反应。例如,乙酰胆碱是一种重要的神经递质,它释放后会被乙酰胆碱酯酶分解。如果这种酶的活性受到抑制,乙酰胆碱就会在突触间隙中积累,导致突触后神经元持续兴奋,这就是某些有机磷农药中毒的原理。

兴奋在突触处的传递具有几个重要特点,具体如下表:

人体内有多种神经递质,不同的神经递质具有不同的功能,常见如下表：

中国传统医学中的针灸疗法,其作用机制与神经系统密切相关。现代研究发现,针刺能够刺激神经末梢,促进某些神经递质和内源性阿片肽的释放,从而产生镇痛和调节脏腑功能的作用。这体现了中国传统医学的科学性和先进性。

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神经调节的特点与意义

通过对神经系统结构的学习,我们可以总结出神经调节的几个重要特点。

神经调节的反应速度非常快。神经冲动在神经纤维上的传导速度可达每秒几十米甚至上百米,这使得机体能够对刺激做出快速反应。例如,当我们不小心碰到烫的物体时,能够在极短的时间内缩回手,这就是神经调节快速反应的体现。

神经调节的作用范围比较局限,作用时间也比较短暂。这是因为神经纤维只能将兴奋传递到它所支配的特定器官,而且神经递质很快就会被分解或重新摄取。这种特点使得神经调节能够对特定的器官进行精确的调控。

神经调节具有高度的准确性。由于神经系统的精细结构和复杂的神经联系,神经调节能够对不同的刺激做出准确的反应,并协调各器官系统的活动,维持机体内环境的稳态。

神经系统的这些结构特点和功能特性,使其成为机体最重要的调节系统。在下一章中,我们将学习神经调节的基本方式——反射,进一步理解神经系统是如何工作的。

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本节练习

第一题：关于神经元结构和功能的叙述,正确的是

A. 神经元的树突只能接受刺激,不能传导兴奋

B. 神经元的轴突外面都包裹着髓鞘

C. 神经胶质细胞不参与神经系统的任何功能活动

D. 有髓鞘神经纤维的传导速度比无髓鞘神经纤维快

第二题：神经纤维在静息状态下,膜内电位比膜外电位低,主要原因是

A. 钠离子大量内流

B. 钾离子大量外流

C. 钙离子大量内流

D. 氯离子大量外流

第三题：下列关于兴奋在神经纤维上传导的叙述,错误的是

A. 兴奋以局部电流的形式在神经纤维上传导

B. 兴奋在神经纤维上可以双向传导

C. 兴奋在传导过程中强度会逐渐减弱

D. 有髓鞘神经纤维采用跳跃式传导

第四题：关于突触和突触传递的叙述,正确的是

A. 突触前膜和突触后膜是直接接触的

B. 兴奋在突触处的传递是双向的

C. 神经递质释放到突触间隙后会被迅速分解或重新摄取

D. 突触传递不需要时间

第五题：请说明动作电位产生的过程,并解释为什么动作电位的产生是一个快速的过程。

第六题：比较兴奋在神经纤维上的传导和兴奋在突触处的传递有什么不同。